KR20190128854A

KR20190128854A - 알루미늄 리츠선을 이용한 변압기 및 이를 포함하는 인버터 용접기

Info

Publication number: KR20190128854A
Application number: KR1020180053098A
Authority: KR
Inventors: 김봉제
Original assignee: 한국트랜스 주식회사
Priority date: 2018-05-09
Filing date: 2018-05-09
Publication date: 2019-11-19

Abstract

본 발명은 알루미늄 리츠선(Litz wire)을 이용한 변압기(Transfomer) 및 이를 포함하는 인버터 용접기에 관한 것이다. 본 발명은 자성체의 코어 유닛(20); 및 상기 코어 유닛(20)에 금속선(12)이 권취되어 형성된 코일 유닛(10)을 포함하되, 상기 금속선(12)은 알루미늄(Al) 재질의 리츠선(LW)를 포함하는 변압기(100), 및 이를 포함하는 인버터 용접기를 제공한다. 바람직한 실시형태에 따라서, 상기 리츠선(LW)은 0.1 mm ~ 1.0 mm 굵기(T)의 알루미늄 와어어(W)를 포함하며, 상기 코일 유닛(10)에는 1 kHz 이상, 더욱 바람직하게는 10 kHz ~ 100 kHz의 주파수가 인가된다. 본 발명에 따르면, 적어도 경제성(가격 절감) 및 경량성 등을 가지면서 알루미늄 리츠선(LW)에 의해 주파수가 증가할수록 기존의 구리(Cu)보다 낮은 저항 특성(임피던스)을 가져 변압기의 성능이 개선되고 용접 효율 등이 향상될 수 있다.

Description

알루미늄 리츠선을 이용한 변압기 및 이를 포함하는 인버터 용접기 {TRANSFORMER USING ALUMINIUM LITZ WIRE AND INVERTER WELDING MACHINE COMPRISING THE SAME}

본 발명은 변압기 및 이를 포함하는 인버터 용접기에 관한 것으로, 하나의 실시형태에 따라서 변압기의 도체(금속선)를 알루미늄(Al) 재질의 리츠선(Litz wire)으로 사용함으로써, 적어도 경제성(가격 절감) 및 경량성 등을 가지는 변압기 및 이를 포함하는 인버터 용접기에 관한 것이다.

금속 등을 용접하는 데에는 인버터 용접기(Inverter Welding Machine)가 주로 사용된다. 인버터 용접기는 저항을 이용하여 금속 간을 용접하며, 이는 인버터(Inverter)와 변압기(Transformer) 등을 기본적인 구성요소로 포함한다. 이때, 전류(상용 전원)가 흐르면, 인버터는 주파수 스위칭 소자를 통해 주파수를 변환시키고, 변압기는 인버터로부터 인가된 전압을 그보다 낮거나 높은 전압으로 변환시킨다. 인버터는 주파수 스위칭 소자로서 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transister) 또는 MOS FET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transister) 등을 포함한다.

변압기는 인버터 용접기의 성능을 향상시키기 위해 소망하는 전압(예를 들어, 높은 전압)을 안정되게 구현할 수 있어야 한다. 또한, 변압기는 과열을 발생하지 않아야 한다. 과열이 발생되는 경우, 변압기의 자체 성능이 저하됨은 물론, 인버터 용접기의 성능이 불안정해지거나 화재의 위험성이 있다. 이에, 대부분의 인버터 용접기에는 적어도 변압기를 냉각시키기 위한 방열 구조가 설치되고 있다.

일반적으로, 변압기는 자성체의 코어 유닛(core unit)(통상, 철심)과, 상기 코어 유닛에 형성된 전도성의 코일 유닛(coil unit)을 포함한다. 상기 코어 유닛은 복수의 코어(core)가 밀착되어 구성되거나, 단수의 코어로 구성된다. 또한, 상기 코일 유닛은 1차 코일(1차측) 및 2차 코일(2차측)을 포함하며, 1차 코일에 전압이 인가되면 2차 코일에서 가변된 전압을 출력한다. 이러한 변압기는 외함에 내장되어 인버터 용접기 내에 설치된다.

예를 들어, 한국 등록특허 제10-1716143호, 한국 등록특허 제10-1559455호, 한국 등록실용신안 제20-0447665호 및 한국 공개특허 제10-2013-0108772호 등에는 위와 관련한 기술이 제시되어 있다.

한편, 상기 코일 유닛(1차 코일 및 2차 코일)은 코어 유닛 상에 금속선(도체)이 코일형으로 권선(winding)되어 형성된다. 이러한 금속선(도체)의 권선 수(turn 수)에 따라 변압기의 출력 전압(가변 전압)이 결정될 수 있다. 이때, 상기 금속선(도체)은 전기전도성을 위해 구리(Cu)로 구성되고 있다. 구리(Cu)는 다른 금속에 비해 낮은 저항(및 높은 전기전도성)을 갖는다. 이에 따라, 구리(Cu)를 사용하는 경우 소망하는 전압(예를 들어, 높은 전압)을 안정적으로 구현할 수 있고 과열이 방지될 수 있어, 구리(Cu)는 변압기의 금속선(도체)으로 범용적으로 사용되고 있다.

그러나 구리(Cu)는 그 자체로서 고가(高價)이고 무겁다. 이에 따라, 종래의 변압기 및 이를 포함하는 인버터 용접기는 적어도 제품 가격이 높고, 제품의 크기(체적)에 비해 높은 중량을 갖는다. 부가적으로, 장기간 사용 시에는 금속선(도체)의 저항이 증가되고 변압기의 내구성이 떨어지는 문제점이 있다.

한국 등록특허 제10-1716143호, 한국 등록특허 제10-1559455호 한국 등록실용신안 제20-0447665호 한국 공개특허 제10-2013-0108772호

이에, 본 발명은 개선된 특성을 가지는 변압기 및 이를 포함하는 인버터 용접기를 제공하는 데에 목적이 있다.

하나의 실시형태에 따라서, 본 발명은 경제성(가격 절감) 및 경량성 등을 가을 가지는 변압기 및 이를 포함하는 인버터 용접기를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 금속선(도체)의 굵기 및 사용 주파수를 최적화하여 낮은 임피던스(Impendace)에 의해 성능이 개선되고 용접 효율 등이 향상될 수 있는 변압기 및 이를 포함하는 인버터 용접기를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

코어 유닛; 및

상기 코어 유닛에 금속선이 권취되어 형성된 코일 유닛을 포함하고,

상기 금속선은 알루미늄(Al) 재질의 리츠선(Litz wire)을 포함하는 변압기를 제공한다.

바람직한 실시형태에 따라서, 상기 리츠선(Litz wire)은 여러 가닥의 단선을 포함하되, 상기 단선은 0.1 mm ~ 1.0 mm 굵기의 알루미늄 와이어(W)를 포함하며, 상기 코일 유닛에는 1 kHz 이상의 주파수, 더욱 바람직하게는 10 kHz ~ 100 kHz의 주파수가 인가되는 것이 좋다. 예를 들어, 상기 코일 유닛에는 20 kHz의 주파수가 인가될 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 변압기를 포함하는 인버터 용접기를 제공한다.

본 발명에 따르면, 변압기의 금속선(도체)이 알루미늄(Al) 재질의 리츠선(Litz wire)을 포함하여, 적어도 경제성(가격 절감) 및 경량성 등이 개선되는 효과를 갖는다. 또한, 본 발명에 따르면, 금속선(도체)의 굵기 및 사용 주파수가 최적화되어, 낮은 임피던스(Impendace)에 의해 성능이 개선되고 용접 효율 등이 향상되는 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 변압기를 보인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 변압기를 보인 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 변압기를 구성하는 금속선(도체)의 구현예를 보인 절단 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 임피던스 측정에 사용된 측정장비의 사진이다.
도 5 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 금속선 및 코일 시편에 대한 주파수 변화에 따른 임피던스 측정 결과를 보인 측정값과 그래프이다.

본 발명에서 사용되는 용어 "및/또는"은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나 이상을 포함하는 의미로 사용된다. 본 발명에서 사용되는 용어 "하나 이상"은 하나 또는 둘 이상의 복수를 의미한다.

또한, 본 발명에서 사용되는 용어 "상에 형성(설치)", "상부(상측)에 형성(설치)", "하부(하측)에 형성(설치)" 및 "사이에 형성(설치)" 등은, 당해 구성요소들이 직접 접하여 적층 형성(설치)되는 것만을 의미하는 것은 아니고, 당해 구성요소들 간의 사이에 다른 구성요소가 더 형성(설치)되어 있는 의미도 포함한다. 예를 들어, "상에 형성된다", "상에 설치된다" 라는 것은, 제1구성요소에 제2구성요소가 직접 접하여 형성(설치)되는 의미는 물론, 상기 제1구성요소와 제2구성요소의 사이에 제3구성요소가 더 형성(설치)될 수 있는 의미도 포함한다.

본 발명은 제1형태에 따라서, 가격이 낮고 경량성 등을 가지는 변압기(Transformer)를 제공한다. 본 발명은 제2형태에 따라서, 상기 본 발명의 변압기를 포함하는 인버터 용접기를 제공한다. 또한, 본 발명은 제3형태에 따라서, 상기 본 발명의 변압기 또는 인버터 용접기의 사용방법을 제공한다. 이때, 본 발명의 제3형태에 따른 사용방법은 변압기를 구성하는 금속선(도체)의 굵기 및 상기 금속선(도체)에 인가되는 주파수가 특정된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태를 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 실시형태를 도시한 것으로, 이는 단지 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공된다. 또한, 본 발명의 실시형태를 설명함에 있어서, 관련된 공지의 범용적인 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1에는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 변압기(100)가 도시되어 있으며, 도 2에는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 변압기(100)가 도시되어 있다. 그리고 도 1 및 도 2에는 각각 상기 변압기(100)를 구성하는 코어(25)의 일례가 함께 도시되어 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 변압기(100)는 자성체의 코어 유닛(core unit)(20)과, 상기 코어 유닛(20)에 형성된 전도성의 코일 유닛(coil unit)(10)을 포함한다. 상기 코일 유닛(10)은 금속선(12)이 권선(winding)되어 형성된다. 이때, 상기 코일 유닛(10)은 1차 코일(10-1)(1차측)과 2차 코일(10-2)(2차측)을 포함한다. 그리고 상기 코일 유닛(10)에는 접속 단자(도시하지 않음)가 형성될 수 있다.

상기 코일 유닛(10)은 1차 코일(10-1)(1차측)과 2차 코일(10-2)(2차측)을 하나의 코일 단위로 하여, 이러한 코일 단위를 1개 또는 2개 이상 복수개를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 코일 유닛(10)은 코어 유닛(20)에 순차적으로 형성된 1차 코일(10-1), 2차 코일(10-2), 1차 코일(10-1) 및 2차 코일(10-2)을 포함할 수 있다. 다른 예를 들어, 상기 코일 유닛(10)은 1차 코일(10-1) 및 2차 코일(10-2)을 포함하되, 상기 1차 코일(10-1)과 2차 코일(10-2)을 구성하는 금속선(12)이 교대로 권선된 샌드위치 구조를 가질 수 있다. 도 1 및 도 2는 1차 코일(10-1)과 2차 코일(10-2)을 구성하는 금속선(12)이 교대로 권선된 샌드위치 구조의 코일 유닛(10)을 예시한 것이다. 이러한 샌드위치 구조의 코일 유닛(10)은 열 발생이 낮아 발열 특성에 유리할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 변압기(100)는 선택적으로 절연 부재(30)를 더 포함할 수 있다. 상기 절연 부재(30)는, 예를 들어 상기 코일 유닛(10)과 코어 유닛(20)의 사이, 및/또는 상기 1차 코일(10-1)과 2차 코일(10-2)의 사이에 설치될 수 있다. 상기 절연 부재(30)는 절연성을 가지는 것이면 좋으며, 이는 예를 들어 플라스틱재, 섬유재(부직포) 및/또는 종이재 등으로 구성될 수 있다.

아울러, 본 발명에 따른 변압기(100)는 선택적으로 고정부(40)를 더 포함할 수 있다. 상기 고정부(40)는 인버터 용접기 내에 변압기(100)를 고정시킬 수 있는 것이면 좋으며, 이는 예를 들어 나사나 볼트/너트 등의 체결구를 통해 인버터 용접기에 체결될 수 있다. 상기 고정부(40)는 금속재 및/또는 플라스틱재로부터 선택될 수 있으며, 이는 또한 예를 들어 판(plate), 바(bar) 및/또는 그리드(grid) 등의 형상을 가질 수 있다. 그리고 고정부(40) 상에는 상기 코어 유닛(20)이 결합될 수 있다.

상기 코어 유닛(20)은 자성을 가지는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 코어 유닛(20)은 1개 또는 2개 이상 복수개의 코어(25)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 코어(25)는, 예를 들어 규소강(Silicon steel), 퍼멀로이(Sermalloy), 페라이트(Ferrite) 및/또는 아몰퍼스(Amorphous) 등의 자성 재료를 포함할 수 있다. 상기 코어(25)는 통상과 같이 구성될 수 있으며, 이는 예를 들어 "E"자형, "I"자형 및/또는 "ㄷ"자형 등의 형상을 가질 수 있다.

또한, 상기 코어(25)는 복수의 자성판(예, 규소강판)이 밀착되어 구성되거나 단수의 몸체(블록)형으로 구성될 수 있다. 다른 예를 들어, 상기 코어(25)는 도넛(doughnut) 형상의 토로이달(Toroidal) 형태로부터 선택될 수 있다. 도 1은 "E"자 형상을 가지는 E자 코어(25)를 예시한 것이고, 도 2는 도넛 형상을 가지는 토로이달 코어(25)를 예시한 것이다. 상기 코어 유닛(20)은, 바람직하게는 도 2에 보인 바와 같은 토로이달 코어(25)를 포함하되, 이는 아몰퍼스(Amorphous) 재질로 구성되는 것이 좋다. 이러한 아몰퍼스 재질의 토로이달 코어(25)는 무부하손이 적고 열 발생이 낮아 본 발명에 바람직하며, 이는 또한 가격 면에서도 유리하다.

상기 코일 유닛(10)은 도체로서의 금속선(12)이 코어 유닛(20)에 권선(winding)되어 형성된다. 즉, 상기 1차 코일(10-1) 및 2차 코일(10-2)은 각각 금속선(12)이 코일형으로 권선되어 형성된다. 이때, 상기 코일 유닛(10)은 코어 유닛(20)의 내측에 권선되어 형성(내철형)되거나, 코어 유닛(20)의 외측에 권선되어 형성(외철형)될 수 있다.

본 발명에 따라서, 상기 금속선(12)은 알루미늄(Al) 재질의 리츠선(LW)(Litz wire)을 포함한다. 구체적으로, 상기 금속선(12)은 본 발명에 따라서 여러 가닥의 단선(12a)이 꼬아져 구성된 리츠선(LW)을 포함하되, 상기 리츠선(LW)의 단선(12a)은 알루미늄(Al) 재질로 구성된다. 이를 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3에는 본 발명에 따른 변압기(100)를 구성하는 금속선(12), 즉 상기 리츠선(LW)의 구현예가 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시형태에 따라서, 상기 금속선(12)은 단선(12a)들이 집합된 후 꼬아져서 형성된 리츠선(LW)으로 구성된다. 이때, 리츠선(LW)은 여러 가닥의 단선(12a)을 포함하되, 상기 단선(12a)은 예를 들어 피복선이다. 즉, 상기 단선(12a)은 중심의 와이어(W)와, 상기 와이어(W)의 표면에 형성된 피복(S)을 포함한다. 상기 피복(S)은 절연성의 재질로 구성되는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 상기 피복(S)은, 예를 들어 폴리우레탄(PU ; Polyurethane)), 폴리아미드이미드(PAI ; Polyamidimide) 및/또는 폴리이미드(PI ; polyimide) 등으로부터 선택된 재질로 구성될 수 있으나, 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.

또한, 본 발명에서, 상기 리츠선(LW)을 구성하는 단선(12a)의 가닥 수는 제한되지 않는다. 상기 리츠선(LW)은, 예를 들어 2 ~ 150 가닥의 단선(12a)을 포함할 수 있다. 즉, 도 3에서, 꼬아진 단선(12a)은 2 ~ 150개가 될 수 있다. 상기 리츠선(LW)은, 보다 구체적인 예를 들어 5 ~ 120 가닥, 10 ~ 80 가닥, 또는 10 ~ 60 가닥의 단선(12a)을 포함할 수 있다.

본 발명에 따라서, 상기 단선(12a)은 알루미늄 와이어(W)를 포함한다. 구체적으로, 상기 리츠선(LW)을 구성하는 각 단선(12a)은 알루미늄(Al) 재질로 구성된 알루미늄 와이어(W)와, 상기 알루미늄 와이어(W)의 표면에 피복된 절연선의 피복(S)을 포함한다. 상기 알루미늄 와이어(W)는, 예를 들어 원형 또는 다각형의 단면 형상을 가질 수 있다. 도 3에서는 원형의 단면을 가지는 알루미늄 와이어(W)를 예시하였다. 이때, 상기 알루미늄 와이어(W)는, 예를 들어 95 중량% 이상의 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다. 즉, 와이어(W)를 구성하는 알루미늄(Al)은 95% 이상의 Al 순도를 가질 수 있으며, 잔량은 Al 이외의 다른 금속이거나 불가피한 불순물 등일 수 있다. 상기 알루미늄 와이어(W)는, 구체적인 예를 들어 98 중량% 내지 99.99 중량%의 알루미늄(Al)으로 구성된 고순도 Al선으로 구성될 수 있다.

알루미늄(Al)은 구리(Cu)에 비해 저가(低價)이고 가볍다. 또한, 알루미늄(Al)은 구리(Cu)보다 높은 내부식성 및 강도 등을 갖는다. 이에 따라, 본 발명에 따르면, 변압기(100)의 금속선(12)이 위와 같은 알루미늄(Al) 재질로 구성되어, 구리(Cu)를 사용한 종래보다 적어도 제품 가격이 낮고, 경량성 및 내부식성 등을 갖는다. 부가적으로, 내부식성으로 인해 장기간 사용 시에도 구리(Cu)보다 저항 증가가 방지되고 우수한 내구성을 갖는다. 또한, 본 발명에 따르면, 변압기(100)의 금속선(12)이 리츠선(LW)으로 구성되어 발열 특성 및 저항 특성이 개선된다. 즉, 알루미늄(Al)을 재질로 하되, 여러 가닥의 단선(12a)이 꼬아진 리츠선(LW)으로 구성되어 단면적(또는 표면적)이 커 높은 전류가 흐르는 경우에도 열 발생 및 저항 등이 낮아져 변압기(100)의 성능이 향상된다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 따라서, 상기 단선(12a)은 0.1 mm ~ 1.0 mm의 굵기(T)를 갖는다. 그리고 위와 같은 단선(12a)을 포함하는 리츠선(LW)에는 1 kHz 이상의 주파수가 인가된다. 즉, 상기 리츠선(LW)이 권선되어 형성된 코일 유닛(10)에는 1 kHz 이상의 주파수가 인가된다. 본 발명의 바람직한 실시형태에 따라서, 위와 같은 굵기(T) 및 주파수를 가하여 사용하는 경우, 종래의 구리(Cu)를 사용하는 경우보다 임피던스(Impendace)(Ω) 등의 저항 특성이 현저히 개선된다.

본 발명에서, 굵기(T)는 도 3에서 도면 부호 "T"로 표시한 바와 같다. 즉, 본 발명에서, 굵기(T)는 와이어(W) 한 가닥의 굵기(T)로서, 이는 단선(12a)을 구성하는 알루미늄 와이어(W)의 직경 또는 두께를 의미한다. 구체적으로, 굵기(T)는 알루미늄 와이어(W)의 단면 형상이 원형인 경우에는 와이어(W) 한 가닥의 직경이고, 알루미늄 와이어(W)의 단면 형상이 다각형인 경우에는 와이어(W) 한 가닥의 두께를 의미한다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 따라서, 위와 같이 리츠선(LW)을 구성하는 알루미늄 와이어(W)를 0.1 mm ~ 1.0 mm로서 적정 굵기(T)를 갖게 하고, 1 kHz 이상의 특정 주파수를 인가하는 경우, 구리(Cu)보다 전도성이 낮은 알루미늄(Al)을 사용함에도 구리(Cu)를 사용한 경우와 같거나 구리(Cu)를 사용한 경우보다 낮은 임피던스(Ω)를 갖는다. 이는 하기의 실시예를 통해서도 확인될 수 있다.

이때, 상기 알루미늄 와이어(W)의 굵기(T)가 0.1 mm 미만인 경우 인장 강도가 낮아지고, 꼬는 작업 시 선이 너무 가늘어 취급이 어려울 수 있다. 그리고 굵기(T)가 1.0 mm를 초과하여 너무 두꺼운 경우, 꼬기가 어렵고 꼬는 과정에서 피복(S)이 손상될 수 있다. 무엇보다, 굵기(T)가 1.0 mm를 초과하여 너무 두꺼운 경우, 구리(Cu)와 차이가 없거나 구리(Cu)보다 높은 임피던스(Ω)를 갖는다. 또한, 인가되는 주파수가 1 kHz 미만인 경우에도 구리(Cu)와 차이가 없거나 구리(Cu)보다 높은 임피던스(Ω)를 갖는다. 아울러, 주파수가 너무 높으면, 저항이 너무 커져 코일 유닛(10)에 과열이 발생될 수 있으므로 100 kHz 이하가 바람직할 수 있다.

본 발명의 더욱 바람직한 실시형태에 따라서, 상기 리츠선(LW)의 우수한 인장 강도, 꼬는 작업성(즉, 리츠선(LW)의 제조 용이성) 및 임피던스(Ω) 등의 모든 특성을 고려하며, 상기 알루미늄 와이어(W)의 굵기(T)는 0.3 mm 이상, 또는 0.3 mm 초과가 좋다. 즉, 굵기(T)는 0.3 ≤ T ≤ 1.0, 또는 0.3 < T ≤ 1.0인 것이 더욱 바람직하다. 그리고 코일 유닛(10)에 인가되는 주파수, 즉 리츠선(LW)에 인가되는 주파수는 5 kHz 이상이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 10 kHz 이상이 좋다.

본 발명의 수많은 실험적 고찰에 따르면, 10 kHz 이상의 주파수에서는 어떠한 조건에서도 우수한 저항 특성, 즉 구리(Cu)보다 현저히 낮은 임피던스(Ω)를 가짐을 알 수 있었다. 아울러, 50 kHz 이상에서는 더욱더 낮은 임피던스(Ω)를 가짐을 알 수 있었다. 보다 구체적으로, 알루미늄 와이어(W)는 0.3 mm ~ 1.0 mm의 굵기(T)를 갖게 하고, 이러한 알루미늄 와이어(W)를 포함하는 리츠선(LW)을 변압기(100)의 금속선(12)으로 구성하되, 여기에 10 kHz ~ 100 kHz의 주파수를 인가하는 경우, 우수한 인장 강도와 함께 리츠선(LW)의 제조가 용이하며, 특히 모든 동일 조건에서 구리(Cu)보다 현저히 낮은 임피던스(Ω)를 구현할 수 있으며, 변압기(100)의 과열을 방지할 수 있음을 알 수 있었다.

바람직한 실시형태에 따른 본 발명은 금속선(12)의 도체로서, 적어도 저가 및 경량성 등을 가지는 알루미늄(Al)을 재질로 사용하되, 이를 높은 단면적(또는 표면적)의 리츠선(LW)으로 구성(즉, 리츠선(LW) 단선(12a)의 도체를 알루미늄 와이어(W)로 구성)하고, 이와 함께 굵기(T)와 사용 주파수를 적정 범위로 특정(굵기(T) : 0.3 mm ~ 1.0 mm, 사용 주파수 : 10 kHz ~ 100 kHz)함으로써, 우수한 인장 강도 및 리츠선(LW) 제조의 용이성을 구현함은 물론, 특히 구리(Cu)보다 낮은 임피던스(Ω)를 갖게 하였다는 점과, 이를 통해 변압기(100)의 금속선(12) 도체로서 알루미늄(Al)의 실질적인 사용을 도모한 것이라는 점에서 그 기술적 의의가 있다. 이에 따라, 본 발명에 따르면, 낮은 임피던스(Ω)에 의해 성능이 개선되고, 알루미늄(Al)의 실질적인 사용에 의해 높은 경량성, 내부식성 및 내구성 등을 가지는 변압기(100)를 저렴한 가격으로 보급할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 인버터 용접기는 전술한 바와 같은 본 발명의 변압기(100)를 포함하는 것이면 제한되지 않는다. 본 발명에 따른 인버터 용접기는, 상기 변압기(100) 이외에 인버터부, 정류부, 용접부 및/또는 제어부 등을 포함할 수 있다. 상기 인버터부, 정류부, 용접부 및/또는 제어부 등은 통상적으로 사용되는 것을 사용할 수 있으므로, 이들에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

이때, 상기 인버터부를 통해 주파수가 조절될 수 있다. 구체적으로, 인버터부에 상용 전류(전원)가 흐르면, 상기 인버터부는 주파수를 가변시켜 특정의 주파수를 변압기(100)에 인가할 수 있다. 상기 인버터부는 1 kHz 이상, 또는 5 kHz 이상의 주파수를 변압기(100)에 인가할 수 있다. 상기 인버터부는, 구체적인 예를 들어 1 kHz ~ 100 kHz, 또는 5 kHz ~ 100 kHz의 주파수를 인가할 수 있으며, 바람직하게는 10 kHz ~ 100 kHz의 주파수를 변압기(100)에 인가할 수 있다. 또한, 상기 인버터부는 주파수 변환을 위한 주파수 스위칭 소자로서, 예를 들어 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transister) 및/또는 MOS FET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transister) 등을 포함할 수 있다.

[실시예 및 비교예]

이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 예시한다. 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕도록 하기 위해 예시적으로 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.

아래에서 금속선(도체)으로서 실시예들의 경우에는 Al선(Al 순도 99.9%)을 사용한 것이고, 비교예들의 경우에는 Cu선(Cu 순도 99.9%)를 사용한 것이다. 이때, Al과 Cu를 압출하여 금속선을 제조하되, 각 실시예 및 비교예에 따라 선 종류 및 선 굵기를 달리하였다.

또한, 아래에서 서로 대응되는 실시예와 비교예의 시편(실시예 / 비교예)은 각 금속선의 재질을 제외한 다른 모든 조건(선의 종류, 굵기, 길이, 가닥 수 및 턴 수 등)은 동일하다. 예를 들어, 아래의 [실시예 2 / 비교예 2]의 경우, 와이어의 재질로서 실시예 2는 Al, 비교예 2는 Cu로서 각 와이어의 재질만을 달리하고, 재질 이외에 선의 종류(리츠선), 굵기(0.50 mm), 가닥 수(30 가닥) 및 턴 수(16 Turn) 등의 다른 모든 조건은 동일하다. 나머지 실시예 및 비교예의 경우도 위와 같다.

아울러, 각 실시예 및 비교예에 따른 시편에 대하여 주파수(Hz) 변화에 따른 임피던스(Impendace)(Ω)를 측정하였다. 임피던스(Ω)는 임피던스 측정장비(일본 HIOKI(히오키)社 제품, HIOKI IM3523 LCR HITESTER)를 이용하여 동일한 조건에서 측정하였으며, 첨부된 도 4는 측정장비의 사진을 보인 것이다.

[실시예 1 / 비교예 1]

굵기 0.50 mm(와이어 직경 0.5 Φ)의 원형 단선이 30 가닥 꼬아진 리츠선을 준비하고, 이에 대해 주파수(Hz) 변화에 따른 임피던스(Ω)를 측정하였다. 그 결과를 도 5에 나타내었다.

[실시예 2 / 비교예 2]

굵기 0.50 mm(와이어 직경 0.5 Φ)의 원형 단선이 30 가닥 꼬아진 리츠선을 준비하였다. 그리고 상기 리츠선을 코어에 축 권선(16 Turn)한 코일 시편을 제조하고, 상기 리츠선 코일 시편에 대해 주파수(Hz) 변화에 따른 임피던스(Ω)를 측정하였다. 그 결과를 도 6에 나타내었다.

[실시예 3 / 비교예 3]

굵기 0.35 mm(와이어 직경 0.35 Φ)의 원형 단선을 준비하고, 이에 대해 주파수(Hz) 변화에 따른 임피던스(Ω)를 측정하였다. 그 결과를 도 7에 나타내었다.

[실시예 4 / 비교예 4]

굵기 1.00 mm(와이어 직경 1.0 Φ)의 원형 단선을 준비하고, 이에 대해 주파수(Hz) 변화에 따른 임피던스(Ω)를 측정하였다. 그 결과를 도 8에 나타내었다.

[실시예 5 / 비교예 5]

굵기 1.80 mm(와이어 직경 1.8 Φ)의 원형 단선을 준비하고, 이에 대해 주파수(Hz) 변화에 따른 임피던스(Ω)를 측정하였다. 그 결과를 도 9에 나타내었다.

[실시예 6 / 비교예 6]

굵기 0.10 mm(시트 두께 0.1 t), 폭 58 mm의 시트선(Sheet wire)을 준비하였다. 그리고 상기 시트선을 코어에 축 권선(6 Turn)한 코일 시편을 제조하고, 상기 시트선 코일 시편에 대해 주파수(Hz) 변화에 따른 임피던스(Ω)를 측정하였다. 그 결과를 도 10에 나타내었다.

먼저, 도 5에 나타난 바와 같이, 리츠선(0.50 mm x 30 가닥, 5M)의 경우, 약 1 kHz의 주파수 이상에 실시예 1(Al)이 비교예 1(Cu)보다 낮은 임피던스(Ω)를 보였다. 구체적으로, 약 1 kHz 미만의 주파수에서는 실시예 1(Al)의 임피던스(Ω)가 높은 값을 보이다가 약 1 kHz의 주파수부터 역전되어, 주파수가 증가할수록 실시예 1(Al)이 비교예 1(Cu)보다 낮은 임피던스(Ω)를 보였다. 그리고 약 10 kHz 이상의 주파수에서는 실시예 1(Al)이 비교예 2(Cu)보다 현저히 낮은 임피던스(Ω) 값을 보임을 알 수 있었다.

또한, 도 6에 나타난 바와 같이, 리츠선(0.50 mm x 30 가닥)을 코어에 권선(16 Turn)한 코일 시편의 경우에도 초기에는 실시예 2(Al)가 높은 임피던스(Ω)를 보이다가 약 1 kHz의 주파수에서 역전되어, 1 kHz 이상의 주파수에서는 실시예 2(Al)가 비교예 2(Cu)보다 낮은 임피던스(Ω)를 보였다. 그리고 약 10 kHz 이상의 주파수에서는 실시예 2(Al)가 비교예 2(Cu)보다 현저히 낮은 임피던스(Ω) 값을 보임을 알 수 있었다.

그리고 도 7에 보인 바와 같이, 굵기 0.35 mm의 원형 단선은 약 5 kHz 이상의 주파수에서 실시예 3(Al)이 비교예 3(Cu)보다 낮은 임피던스(Ω)를 보였다. 구체적으로, 약 5 kHz 미만의 주파수에서는 실시예 3(Al)의 임피던스(Ω)가 높은 값을 보이다가 약 5 kHz의 주파수부터 역전되어, 주파수가 증가할수록 실시예 3(Al)이 비교예 3(Cu)보다 낮은 임피던스(Ω)를 보였다. 특히, 10 kHz 이상의 주파수에서 실시예 3(Al)이 비교예 3(Cu)보다 현저히 낮은 임피던스(Ω) 값을 보임을 알 수 있었다.

아울러, 도 8에 보인 바와 같이, 굵기 1.00 mm의 원형 단선의 경우에는 약 1 kHz의 주파수 미만에서는 비교예 4(Cu)가 낮은 임피던스(Ω)를 보이다가 1 kHz의 주파수에서 역전되어 1 kHz 이상의 주파수에서는 실시예 4(Al)가 비교예 4(Cu)보다 낮은 임피던스(Ω)를 보였다. 그리고 약 10 kHz 이상의 주파수에서는 실시예 4(Al)가 비교예 4(Cu)보다 현저히 낮은 임피던스(Ω) 값을 보임을 알 수 있었다.

한편, 도 9에 나타난 바와 같이, 굵기 1.80 mm의 두꺼운 굵기의 경우 실시예 5(Al)와 비교예 5(Cu)는 주파수의 변화에 따른 임피던스(Ω)의 차이가 거의 없었다. 오히려, 0.35 mm(실시예 3) 및 1.00 mm(실시예 4)의 굵기와는 반대로, 주파수가 증가함에 따라 실시예 5(Al)이 비교예 5(Cu)보다 높은 임피던스(Ω) 값을 보였다.

또한, 도 10에 보인 바와 같이, 시트선(시트 두께 0.1 t x 폭 58 mm)을 코어에 권선(6 Turn)한 코일 시편의 경우에는 약 5 kHz의 주파수에서 역전되어, 약 10 kHz 이상의 주파수에서는 실시예 6(Al)이 비교예 6(Cu)보다 현저히 낮은 임피던스(Ω) 값을 보임을 알 수 있었다.

부가적으로, 도 6 및 도 10에 나타난 바와 같이, 리츠선(0.50 mm x 30 가닥)(도 6)과 시트선(시트 두께 0.1 t x 폭 58 mm)(도 10)을 사용하여 코일 시편에 적용한 경우, 약 50 kHz 이상에서는 매우 큰 차이를 보였다. 구체적으로, 약 50 kHz 이상의 주파수에서는 각 실시예 2(Al) 및 실시예 6(Al)이 서로 대응되는 비교예 2(Cu) 및 비교예 6(Cu)보다 월등히 낮은 임피던스(Ω) 값을 보임을 알 수 있었다.

[실시예 7]

Al 재질의 원형 단선에 대한 굵기(직경)별 인장 강도를 알아보고자 다음과 같이 실시하였다.

굵기(직경)을 달리한 Al 단선 시편(원형 단선)들을 제조하고, 각 단선 시편에 대해 인장 강도 측정기(만능시험기)를 이용하여 인장 강도를 측정하였다. 측정기의 인장력을 점점 높여가면서 목표치까지 인장력을 가하였다. 이때, 목표치는 변압기의 코일 권선기에서 일반적으로 적용되는 최대 장력으로 하였다. 그리고 목표치까지 가할 때, 파단(끊어짐)이 발생되는 경우에는 "불량", 크랙(crack)이나 홀(hole)이 발생되는 경우에는 "보통", 어떠한 현상도 발생되지 않은 경우에는 "우수"로 평가하였다. 그 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다.

< 굵기(직경)에 따른 인장 강도 평가 결과 >

선 굵기 (mm)	0.1	0.25	0.30	0.35	1.0
인장 강도	불량 (파단)	보통 (약간 크랙)	우수	우수	우수

상기 [표 1]에 보인 바와 같이, Al를 코일에 적용하는 경우, 굵기(직경)가 작으면 권선 시에 파단이나 크랙이 예상됨을 알 수 있었다. 그리고 0.30 mm 이상의 굵기에서는 우수한 인장 강도를 가져 변압기의 코일에 적합(권선기에 의한 권선 가능)함을 알 수 있었다.

이상의 실시예(및 비교예)를 통해 확인되는 바와 같이, 변압기의 금속선(도체)으로 알루미늄(Al)을 사용하여 높은 성능을 보이기 위해서는 굵기 및 사용 주파수가 고려되어야 함을 알 수 있다.

구체적으로, 도 5 내지 도 10을 통해 알 수 있는 바와 같이, 선 종류에 따라 다를 수 있지만, 0.1 mm ~ 1.0 mm의 굵기를 갖게 하고, 약 1 kHz 이상의 주파수를 인가하여 사용하는 경우, 구리(Cu)와 대비하여 동등 이상의 성능(낮은 임피던스)을 가짐을 알 수 있다. 바람직하게는, 10 kHz 이상의 주파수를 인가하는 경우, 선 종류에 관계없이 구리(Cu)보다 높은 성능(낮은 임피던스)을 가짐을 알 수 있다. 아울러, 상기 [표 1]에 보인 바와 같이, 권선 시의 인장 강도를 고려하여 0.30 mm 이상의 굵기를 갖게 하는 것이 바람직함을 알 수 있다. 또한, 도 6에 나타난 바와 같이, 리츠선을 적용한 코일 시편의 경우, 예를 들어 20 kHz 주파수에서 실시예 2(Al)는 비교예 2(Cu)와 대비하여 약 28.3%의 임피던스 감소율을 보임을 알 수 있다.

10 : 코일 유닛 12 : 금속선
20 : 코어 유닛 25 : 코어
30 : 절연 부재 40 : 고정부
100 : 변압기 LW : 리츠선
T : 굵기

Claims

코어 유닛(20); 및
상기 코어 유닛(20)에 금속선(12)이 권취되어 형성된 코일 유닛(10)을 포함하고,
상기 금속선(12)은 알루미늄(Al) 재질의 리츠선(LW)을 포함하는 것을 특징으로 하는 변압기(100).
제1항에 있어서,
상기 리츠선(LW)은 여러 가닥의 단선(12a)을 포함하되, 상기 단선(12a)은 0.1 mm ~ 1.0 mm 굵기(T)의 알루미늄 와이어(W)를 포함하고,
상기 코일 유닛(10)에는 1 kHz 이상의 주파수가 인가되는 것을 특징으로 하는 변압기(100).
제1항에 있어서,
상기 리츠선(LW)은 여러 가닥의 단선(12a)을 포함하되, 상기 단선(12a)은 0.3 mm ~ 1.0 mm 굵기(T)의 알루미늄 와이어(W)를 포함하고,
상기 코일 유닛(10)에는 10 kHz ~ 100 kHz의 주파수가 인가되는 것을 특징으로 하는 변압기(100).
제1항에 있어서,
상기 코어 유닛(20)은 아몰퍼스 재질의 토로이달 코어(25)를 포함하는 것을 특징으로 하는 변압기(100).
제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 따른 변압기(100)를 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 용접기.